本文關(guān)鍵詞：溫和灸熱傳遞數(shù)學(xué)物理模型的分析與建立

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【摘要】： 灸法或稱灸療,尤其是艾灸療法,是我國(guó)古代勞動(dòng)人民長(zhǎng)期與疾病作斗爭(zhēng)的一大經(jīng)驗(yàn)總結(jié),是祖國(guó)醫(yī)學(xué)中的重要組成部分,是一種值得研究和大力推廣的防治疾病、強(qiáng)身健體的外治醫(yī)療方法。醫(yī)療方法應(yīng)用的推廣是以療效作為前提的,而療效的充分顯現(xiàn),又是通過(guò)其作用量來(lái)獲得的。經(jīng)過(guò)古今醫(yī)家的實(shí)踐和研究,艾灸療法的有效性已經(jīng)不容置疑,但與療效相關(guān)的艾灸作用量的使用卻缺乏統(tǒng)一、可靠的客觀標(biāo)準(zhǔn)。目前研究多是從生物學(xué)角度來(lái)尋找艾灸的最佳作用參數(shù),有一定的局限性。在眾多艾灸機(jī)理的研究中,溫?zé)嶙饔檬枪J(rèn)的重要作用機(jī)理之一,但還未從根本上去研究。生物傳熱學(xué)是一門交叉學(xué)科,它通過(guò)把傳熱學(xué)的基本原理和研究方法、手段引入到生物和醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中,探討生物體內(nèi)的熱質(zhì)傳輸規(guī)律。生物傳熱學(xué)的產(chǎn)生無(wú)疑對(duì)與“熱”密切相關(guān)的艾灸療法研究有所啟示。本文從能量角度入手,引入熱物理的知識(shí),采用生物傳熱學(xué)的方法和理論,并結(jié)合實(shí)驗(yàn)手段,探索艾溫和灸下的生物組織溫度分布(能量過(guò)程)規(guī)律及其與不同生理病理狀態(tài)、不同溫和灸作用量的聯(lián)系,以期為提高艾灸療法的有效性和可控性提供數(shù)據(jù)支持。 首先,簡(jiǎn)要回顧了艾灸作用古今研究狀況和意義,提出了采用生物傳熱學(xué)方法和理論研究艾灸的合理性及其目標(biāo)。認(rèn)為關(guān)于艾灸作用量的問(wèn)題,由于施灸過(guò)程中許多物理化學(xué)參數(shù)不明確,可依據(jù)的現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)很少,研究還尚未突破傳統(tǒng)理論的框架�；谇叭说难芯�,本文對(duì)艾灸的熱作用進(jìn)行了探討,認(rèn)為艾灸由于“熱”而在微觀和宏觀上與生物組織發(fā)生關(guān)聯(lián),艾灸熱可引起皮膚組織的溫度變化,而在艾灸熱傳遞的過(guò)程中,實(shí)質(zhì)上是能量轉(zhuǎn)移的過(guò)程,因此主要闡述了合理的熱過(guò)程(能量變化過(guò)程)在療效中可能起到的關(guān)鍵性的作用。而溫度是描述系統(tǒng)不同自由度間能量分布狀況的物理量,文中指出掌握艾灸下生物組織內(nèi)部溫度動(dòng)態(tài)分布規(guī)律的重要性,認(rèn)為溫度動(dòng)態(tài)變化可引起不同的生物效應(yīng),利用其規(guī)律可進(jìn)行艾灸療效的間接判斷。 其次,基于能量守恒定律,解釋說(shuō)明了本文使用的經(jīng)典生物傳熱方程。從傳熱學(xué)的基礎(chǔ)理論出發(fā),表明了生物傳熱學(xué)的研究?jī)?nèi)容。雖然生物組織具有較難描述的復(fù)雜性和多樣性,但生物組織內(nèi)的傳熱及生物體與環(huán)境之間的熱量交換方式仍屬于自然界中熱量傳遞的三種基本方式及其復(fù)合形式,即通過(guò)固體組織的導(dǎo)熱,血液及體液內(nèi)的對(duì)流換熱,生物體與環(huán)境之間的輻射換熱,以及在熱量傳輸中伴隨有質(zhì)量傳遞的過(guò)程。而所有這些過(guò)程都服從熱力學(xué)基本定律的支配。盡管生物組織是非均勻、各向異性的,但在生物醫(yī)學(xué)工程的傳熱應(yīng)用中首先感興趣的是熱導(dǎo)率的宏觀表現(xiàn),也就是實(shí)際上的組織溫度變化。根據(jù)熱力學(xué)基本定律及熱傳遞(輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流)規(guī)律,可導(dǎo)出生物組織傳熱方程并估計(jì)組織溫度分布情況。文中采用當(dāng)前生物傳熱領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的PENNES模型,詳細(xì)總結(jié)了生物傳熱方程的求解條件。全面論述了生物組織的相關(guān)熱學(xué)參數(shù),列出本文涉及的公式和數(shù)據(jù),推理估計(jì)了腎陽(yáng)虛病理態(tài)下的熱學(xué)參數(shù)變化。說(shuō)明了導(dǎo)熱反問(wèn)題與溫度控制在艾灸下生物傳熱問(wèn)題中的重要意義。簡(jiǎn)述了測(cè)量生物組織溫度的方法,本實(shí)驗(yàn)選擇了熱電偶作為測(cè)試組織的溫度傳感器。講述了熱作用下的熱損傷模型應(yīng)用,表明溫度是比時(shí)間更為有效的衡量組織熱損傷的參數(shù)。 再次,根據(jù)熱輻射理論,探討推導(dǎo)了艾溫和灸能量傳輸模型。結(jié)合艾燃燒光譜特性,將艾溫和灸視為點(diǎn)體輻射,根據(jù)輻射的普朗克定律、斯忒藩-玻耳茲曼定律、蘭貝特余弦定律、基爾霍夫定律,寫出了艾溫和灸熱輻射至組織的能流表達(dá)式。對(duì)艾絨燃燒的基本特點(diǎn)進(jìn)行了分析,認(rèn)為艾條燃燒方式屬于陰燃,描述了艾條燃燒段的三個(gè)明顯區(qū)域即灰分區(qū)、炭化區(qū)、熱解區(qū)的基本狀況。采用接觸式(微小熱電偶)和非接觸式(紅外測(cè)溫儀)兩種方法進(jìn)行了艾條燃燒溫度的測(cè)試,測(cè)試對(duì)象包括自制小艾條、中艾條以及市售大艾條。利用熱電偶、溫度記錄轉(zhuǎn)換模塊及計(jì)算機(jī),采集輸出了艾條燃燒溫度變化曲線,分析計(jì)算了艾條燃燒的最高溫度、溫度變化率、高溫持續(xù)時(shí)間、陰燃傳播速度,同時(shí)使用紅外測(cè)溫儀記錄了艾條不同燃燒區(qū)域的溫度變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及臨床實(shí)際操作,分析確定了艾溫和灸的施灸輻射溫度范圍,寫出了艾條燃燒溫度的周期變化表達(dá)式,并用軟件模擬了實(shí)驗(yàn)設(shè)定的周期性溫度變化曲線圖。 然后,進(jìn)行了生物傳熱方程的數(shù)值求解。說(shuō)明了多維非線性偏微分方程的求解方法,并在軸對(duì)稱柱坐標(biāo)下將計(jì)算區(qū)域合理劃分為二維,采用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)有限元法求解本文的生物傳熱非線性偏微分方程,計(jì)算出組織溫度場(chǎng)的分布,輸出了二維及三維動(dòng)態(tài)的溫度場(chǎng)顯示圖。模擬了多種類型的艾溫和灸模型中組織的溫度響應(yīng),如溫和灸健康SD大鼠皮膚組織的模型、溫和灸腎陽(yáng)虛SD大鼠皮膚組織的模型、溫和灸離體豬皮組織的模型、溫和灸人體皮膚組織的模型。從模擬結(jié)果可以清楚地看到在不同溫和灸條件下組織溫度的時(shí)空分布情況,分析了灸時(shí)、灸距、血液灌注項(xiàng)和多層模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響,比如采用同一艾條而要改變組織的溫度,灸距的變化比灸時(shí)更有效;在單層和多層的對(duì)比中,分層組織可能對(duì)灸熱流密度的變化更為敏感;與健康者相比,腎陽(yáng)虛者更容易蓄存熱量;由于血液灌注率的影響,活體組織呈現(xiàn)比離體組織更高的熱導(dǎo)率,等等。爾后輸出模擬溫度計(jì)算值,根據(jù)熱損傷模型進(jìn)行了灸熱損傷的估計(jì),為臨床提供預(yù)測(cè)指導(dǎo)。 最后,驗(yàn)證理論模型和計(jì)算的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)了溫和灸下有損但微創(chuàng)的生物組織溫度測(cè)試的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),采用特制的針式熱電偶監(jiān)測(cè)了溫和灸下生物組織表面及內(nèi)部的溫度變化,該系統(tǒng)適合于高精度、微小點(diǎn)的快速響應(yīng)的溫度測(cè)量。文中記錄了采用氫化可的松進(jìn)行腎陽(yáng)虛大鼠造模實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果。生物樣品準(zhǔn)備就緒后,通過(guò)改變艾溫和灸作用量(艾條規(guī)格和數(shù)量、灸距、灸時(shí)),設(shè)計(jì)了多組實(shí)驗(yàn),實(shí)時(shí)測(cè)量了艾溫和灸下各種生物組織(離體豬皮組織、健康大鼠皮膚組織、腎陽(yáng)虛大鼠皮膚組織)的溫度,記錄并比較了不同生理病理態(tài)下溫和灸時(shí)生物組織溫度場(chǎng)的變化規(guī)律,觀察了經(jīng)絡(luò)在艾灸中可能起的作用,總結(jié)分析了一些主要影響因素。 結(jié)果表明模型模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試在組織表皮的溫度變化上有較好的一致性,實(shí)驗(yàn)測(cè)試僅得少數(shù)點(diǎn)的溫度變化,而數(shù)值模擬給出了比較全面的溫度動(dòng)態(tài)分布信息,顯示了建立數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行預(yù)測(cè)溫和灸下組織溫變的優(yōu)勢(shì)。溫和灸是一種用能量沖擊影響機(jī)體的過(guò)程,采用何種艾灸條,用怎樣的灸時(shí)、灸距以及灸作用周期變化,才能獲得期望的療效,本文提供了初步的數(shù)學(xué)物理方程以及計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。然而由于艾絨燃燒的復(fù)雜性、生物組織的不均勻性、生物的個(gè)體差異性,結(jié)果也并非完美,精確的描述有待更為深入的研究。 本文提供的數(shù)值模擬方法將在探討艾溫和灸作用量與療效的定量化研究中發(fā)揮作用。
【關(guān)鍵詞】：艾溫和灸 生物傳熱模型 溫度場(chǎng)分布 燃燒熱輻射 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：廣州中醫(yī)藥大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：R245
【目錄】：

• 摘要3-6
• Abstract6-13
• 引言13-15
• 第一章 緒論15-25
• 1.1 艾灸的研究狀況及意義15-20
• 1.1.1 對(duì)“艾”的認(rèn)識(shí)及研究狀況15-16
• 1.1.2 對(duì)“灸”的認(rèn)識(shí)及研究狀況16-18
• 1.1.3 對(duì)艾灸作用量的認(rèn)識(shí)和研究18-19
• 1.1.4 對(duì)溫和灸的認(rèn)識(shí)與研究19-20
• 1.2 艾灸溫?zé)嶙饔脤?duì)生物的影響20-23
• 1.2.1 艾灸熱作用21-22
• 1.2.2 溫度22
• 1.2.3 研究的新方法——生物傳熱學(xué)22-23
• 1.3 本文研究的意義、內(nèi)容、方法23-25
• 1.3.1 研究意義23-24
• 1.3.2 研究?jī)?nèi)容24
• 1.3.3 研究方法24-25
• 第二章 生物組織傳熱理論25-41
• 2.1 導(dǎo)言25-26
• 2.2 傳熱理論的背景知識(shí)26-29
• 2.2.1 熱力學(xué)基本定律26-27
• 2.2.2 熱傳遞27-28
• 2.2.3 生物傳熱學(xué)的研究基礎(chǔ)28-29
• 2.3 生物傳熱方程29-32
• 2.3.1 生物傳熱中的導(dǎo)熱基本方程29-31
• 2.3.2 PENNES生物傳熱方程31-32
• 2.4 單值性條件32-33
• 2.5 導(dǎo)熱反問(wèn)題和溫度的測(cè)量33-34
• 2.6 生物組織的熱學(xué)參數(shù)34-39
• 2.6.1 熱學(xué)參數(shù)的含義34
• 2.6.2 熱學(xué)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式34-37
• 2.6.3 熱學(xué)參數(shù)的測(cè)量37-38
• 2.6.4 腎陽(yáng)虛動(dòng)物的熱學(xué)參數(shù)估計(jì)38-39
• 2.7 熱損傷模型39-41
• 第三章 艾溫和灸熱輻射模型及艾條燃燒溫度的測(cè)試41-58
• 3.1 熱輻射理論及相關(guān)的基本概念41-44
• 3.1.1 熱輻射的基本特點(diǎn)41-42
• 3.1.2 輻射力和輻射強(qiáng)度的概念42-44
• 3.2 艾燃燒輻射的發(fā)射率和輻射熱流密度44-45
• 3.3 艾溫和灸時(shí)皮膚上的投射輻射45-46
• 3.4 皮膚表面所吸收的輻射46-47
• 3.5 艾條燃燒溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)47-58
• 3.5.1 艾絨燃燒特點(diǎn)47
• 3.5.2 艾條燃燒相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果的分析47-48
• 3.5.3 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料及條件48-50
• 3.5.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象50
• 3.5.5 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果50-56
• 3.5.6 小結(jié)56-58
• 第四章 艾灸熱效應(yīng)的有限元法數(shù)值分析與模擬58-77
• 4.1 傳熱方程的數(shù)值求解58-59
• 4.2 MATLAB的數(shù)值求解步驟59-62
• 4.3 艾溫和灸數(shù)值模擬的幾種模型62-65
• 4.4 溫和灸健康大鼠皮膚的數(shù)值模擬結(jié)果65-71
• 4.4.1 模型1的模擬結(jié)果65-67
• 4.4.2 模型2的模擬結(jié)果67-68
• 4.4.3 模型3的模擬結(jié)果68
• 4.4.4 模型4和模型5的模擬結(jié)果比較68-69
• 4.4.5 模型4與模型2的模擬結(jié)果比較69-70
• 4.4.6 模型1的分層模擬結(jié)果70-71
• 4.5 溫和灸腎陽(yáng)虛大鼠皮膚的數(shù)值模擬結(jié)果71-72
• 4.6 溫和灸離體豬皮組織的數(shù)值模擬結(jié)果72-75
• 4.6.1 模型7的模擬結(jié)果72-73
• 4.6.2 模型8的模擬結(jié)果73-74
• 4.6.3 模型9的模擬結(jié)果74
• 4.6.4 模型10與模型11的比較74-75
• 4.7 溫和灸人體皮膚的數(shù)值模擬結(jié)果75
• 4.8 熱損傷估計(jì)75-76
• 4.9 小結(jié)76-77
• 第五章 艾溫和灸下組織溫度測(cè)量實(shí)驗(yàn)與分析77-103
• 5.1 生物組織溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)77-82
• 5.1.1 測(cè)溫系統(tǒng)77
• 5.1.2 溫度傳感器的選用77-78
• 5.1.3 熱電偶的測(cè)溫基本原理78-79
• 5.1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、材料79-80
• 5.1.5 實(shí)驗(yàn)方法80-82
• 5.2 腎陽(yáng)虛模型大鼠造模實(shí)驗(yàn)82-84
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)方法82
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析82-84
• 5.3 溫和灸下離體豬皮組織的溫度變化情況84-91
• 5.3.1 同一灸距，不同灸時(shí)的比較84-86
• 5.3.2 同一灸時(shí)，，不同灸距的比較86-88
• 5.3.3 同一灸時(shí)、同一灸距、不同作用形式的比較88-90
• 5.3.4 小結(jié)90-91
• 5.4 溫和灸下健康大鼠皮膚組織溫度變化情況91-98
• 5.4.1 艾條1支、灸距1cm、灸時(shí)3min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果91-94
• 5.4.2 艾條1支、灸距1cm、灸時(shí)6min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果94-95
• 5.4.3 艾條1支、灸距0.5cm、灸時(shí)3min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果95
• 5.4.4 艾條2支、灸距1cm、灸時(shí)3min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果95
• 5.4.5 中艾條1支、灸距1cm、灸時(shí)3min的實(shí)驗(yàn)結(jié)果95-97
• 5.4.6 小結(jié)97-98
• 5.5 溫和灸下腎陽(yáng)虛模型大鼠皮膚組織溫度變化情況98-102
• 5.5.1 大鼠XU1測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果98
• 5.5.2 大鼠XU3測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果98-99
• 5.5.3 大鼠XU4測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果99-101
• 5.5.4 大鼠XU5測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果101
• 5.5.5 小結(jié)101-102
• 5.6 討論102-103
• 結(jié)束語(yǔ)103-105
• 一、總結(jié)與感想103-104
• 二、創(chuàng)新點(diǎn)104
• 三、前景展望104-105
• 參考文獻(xiàn)105-115
• 附錄1115-117
• 附錄2117-118
• 致謝118

【引證文獻(xiàn)】

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中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

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中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

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本文編號(hào)：695024